Hoffnungsvolles Experiment War das der erste Schritt zum Quanten-Internet?

Ein internationales Forschungsteam hat ein sogenanntes „elegantes Dreieck“ genutzt, um neue Arten der Nichtlokalität von Quanten in Netzwerken zu finden ...

Seit über 60 Jahren gilt das sogenannte Bellsche Theorem als Goldstandard. Dahinter steckt der Gedanke, dass die Quantenmechanik stets den Regeln der klassischen Physik widerspricht. Ein internationales Forschungsteam, darunter Prof. Dr. Nicolas Gisin von der Constructor University in Bremen, hat dieses Prinzip nun erweitert, indem es ein sogenanntes „elegantes Dreieck“ nutzte, um neue Formen der Nichtlokalität von Quanten in Netzwerken mit mehreren Knotenpunkten aufzudecken. Diese Studie stoße in neue Grenzbereiche vor. Sie erhöhe das Verständnis darüber, wie sich Korrelationen von Quanten in echten Netzwerkumgebungen verhalten, so die grobe Erklärung. Nun glauben die Forscher, dass damit der Weg in das Zeitalter des Quanten-Internets geebnet werden kann. Das Bellsche Theorem bewies, dass ein Paar verschränkter Teilchen, die über eine große Distanz voneinander getrennt sind und zufällig gemessen werden, irgendwie verbunden bleiben können. Gisin erklärt, dass das die aktuelle Arbeit nicht einfach eine kompliziertere Version des Bellschen Theorems ist, die man auf Netzwerke angewendet hat, sondern etwas völlig Neues, das erst dann entsteht, wenn mehrere unabhängige Quantenquellen durch verschränkte Messungen interagieren.

Minimale Änderungen erzeugen tiefgreifende Effekte

Obwohl sie grundlegend sind, beinhalten Bell-Tests normalerweise nur eine einzige Quelle, die verschränkte Teilchen an zwei Beobachter verteilt, die wiederum zufällig eine von mehreren möglichen Messungen auswählen. Das neue Experiment ging also über dieses Paradigma hinaus, indem es die Nichtlokalität in einem Quantennetzwerk untersuchte, das aus mehreren unabhängigen Quellen und miteinander verbundenen Knotenpunkten bestand. Konkret nutzte man ein „Dreiecksnetzwerk“, bei dem drei Beobachter als Knotenpunkte fungierten, die drei separate Quellen verschränkter Teilchen verbanden. Diese waren dabei zwischen ihnen in einer Dreiecksformation verteilt, wie man erfährt. Die Beobachter führten dann feste Quantenmessungen durch, wodurch die zufällige Auswahl der Messung vollständig entfiel. Diese scheinbar nur minimalen Änderungen führten aber eine tiefgreifende neue Ebene der Komplexität ein – vergleichbar mit dem Übergang von einer 2- zu einer 3-dimensionalen Welt, wie Gisin betont.

Die „echte Quantennetzwerk-Nichtlokalität“ existiert

Anstatt einer einzigen gemeinsamen Quelle maß jeder Beobachter demnach Teilchen aus zwei unabhängigen Quellen, wodurch ein komplexeres Geflecht von Beziehungen entstand. Die Ergebnisse waren beeindruckend, heißt es. Denn selbst in dieser verteilten Konfiguration mit mehreren Quellen und ohne Zufallsmessungen wurden Korrelationen zwischen allen drei Quellen beobachtet, die allen klassischen Physikmodellen widersprechen. Die Ergebnisse würden beweisen, dass es eine eigenständige Form der Netzwerk-Nichtlokalität namens „echte Quantennetzwerk-Nichtlokalität“ (genuine quantum network nonlocality) gibt, die aus der Netzwerkstruktur selbst hervorgeht und nicht auf ein standardmäßiges Bell-Szenario aus zwei Teilchen. Um das zu erreichen, erzeugte man die sogenannte „elegante Verteilung“ (elegant distribution) – ein spezifisches Korrelationsmuster, von dem vorhergesagt wurde, dass es dieses netzwerkabhängige Verhalten aufweist. Per maschinellem Lernen und ausgefeilter mathematischer Analysen zeigte sich, dass diese Korrelationen durch kein klassisches Modell reproduziert werden können. Auch dann nicht, wenn diese komplexe Muster verborgener Variablen zulässt, die innerhalb des Dreiecksnetzwerks geteilt werden.

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